聊聊变焦镜头的大光圈设计,佳能RF 28-70mm F2解析

2019-03-20 14:52:22 19点赞 22收藏 6评论

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毫无疑问,RF 28-70mm F2是一颗划时代的产品,为了将标准变焦镜头的最大恒定光圈增加一档,在原料、装配、体型等各方面时都面临了相当大的现实阻力,但即便如此,它依然作为RF系统的首发镜头面市,而大家对于这颗镜头应该多多少少会有一些疑问,那今天就用问答的形式来完成这篇文章吧。


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问题一:变焦镜头恒定F2意味着什么?

恒定光圈变焦镜头的设计核心就是在镜组内部移动时,焦距与入瞳径的比值是恒定的,难点在于镜组搭配、焦段选取和体型控制,需要相对更复杂的设计和制造工艺,但对于目前已经非常成熟的光学镜头产业来说,技术方面已经不再是瓶颈,不过成本的差异足以让恒定与非恒定存在明显的价差。而F2.8长时间作为变焦镜头的最大恒定光圈,基本都是为体型与成本而妥协,哪怕是中画幅镜头,等效光圈换算后也几乎都在F2.8附近徘徊,所以做到F2真的是既需要技术实力也需要市场魄力。

佳能并不是史上第一个把变焦镜头做到恒定F2或更大光圈的品牌,适马24-35mm F2 DG HSM才是第一款针对全画幅的F2光圈变焦镜头,与之类似的还有针对APS-C画幅的适马18-35mm F1.8 DC HSM、50-100mm F1.8 DC HSM。那么适马是怎么做到的?其实这颗全画幅大光圈变焦镜头的设计是比较取巧的,它的后镜组,也就是下图红色框选的部分,实质上一个减焦组:


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18-35mm F1.8 DC HSM也是相同的设计:


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这一组是一个凸透镜组,如果用过增倍镜的话应该知道本质上增倍镜是一个后置的凹透镜组,它的特点是增长原镜头的焦距f,与此同时因为它位于后组,所以入瞳径D并不会变化,结果就是焦距f/入瞳径D=光圈F值随之增大(从光辐射强度的角度来看,你可以理解为凹透镜发散了光路,降低了光强)。而减焦组的功能与增倍镜相反,它会缩短整组焦距,同样因为光阑在前组,入瞳径不受影响,焦距f/入瞳径D=光圈F值随之变小,直观的理解就是光线收束,光强增大,可以结合下图来理解:


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减焦组的设计让广角端大光圈变焦的实现变得相对比较容易,而且不需要极大口径的前组,适马24-35mm F2 DG HSM以82mm前口径就实现了大光圈的目的,像场更小的18-35mm F1.8 DC HSM甚至只要72mm。

事实上在今年1月,佳能就针对两颗新镜头:APS-C画幅18-55mm F2.8和全画幅34mm F1.4申请了包含减焦组的专利方案:


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上图为18-55mm F2.8原镜(ML)和带后置减焦组(CL)的结构图,下图为34mm F1.4:


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这两个减焦组的设计思路是一致的,18-55mm F2.8对应的是0.65倍减焦,减焦后变成11.38-34.68mm F1.82(原镜组设计规格为17.5-53.35mm F2.8),而34mm F1.4的减焦组为0.7倍,减焦后为23.92mm F1.02(原镜组设计规格为34.2mm F1.45),而且这种定制设计的减焦组对性能几乎没有影响(从专利数据来看甚至有利于像差校正),不过减焦组也会同步缩小像场,比如34mm F1.4原像高是佳能全画幅标准的21.64mm,在减焦组减焦后像高缩小到了15.14mm,变成了APS-H画幅镜头。

因此原生后减焦组的全画幅镜头,前组像场余量必须够大,才能保证最终能够完整覆盖全画幅,这也是为什么佳能RF 28-70mm F2没有采用这种设计的理由,因为在覆盖全画幅像场的情况下最大焦距来到了70mm,如果用后减焦组设计,镜组复杂度和体型会很难控制(18-55mm F2.8专利包含减焦组后就足足有23片,如果是全画幅像场且焦段覆盖28-70mm,只会更加一发不可收拾)。

在这种情况下,佳能用的是另一个解决方案——物理增粗。这可以说是相当简单粗暴的方案了,如果你仔细对比RF 28-70mm F2和EF 24-70mm F2.8的镜组规格,不难发现它俩的设计思路相当接近,RF 28-70mm F2是13组19片,EF 24-70 F2.8mm是13组18片,虽然后组有一些细节设计调整,但内部整体方向是一致的:


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两者最大的区别是镜片尺寸有着明显的不同,RF 28-70mm F2的镜身最大直径达到了103.8mm,长度139.8mm,重量1430克,滤镜95mm!而EF 24-70mm F2.8最大直径仅仅88.5mm,长度不过113mm,体重也只有805克,滤镜“仅仅”82mm。RF 28-70mm F2通过大幅增加镜片尺寸的方法来实现入瞳径的增加,类似的方法适马也用过:适马14mm F1.8与佳能14mm F2.8在结构上也是同类设计,但为了实现更大光圈,适马14mm F1.8体积也大幅增加。还有50-100mm F1.8 DC HSM,作为一颗APS-C画幅镜头,它的体型已经达到了佳能70-200mm F2.8 IS III的级别,这都是大尺寸健身化设计的大光圈产物。


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当然,通过增大直径来实现变焦镜头光圈上限的突破,背后的功臣就是光学材料的进步。从照相机物镜设计的角度来看,使用高折射率低色散的凸透镜可以在减小系统高级像差的同时,增大相对孔径。减小高级像差的原因在于在要求校正场曲的条件下,提高凸透镜折射率可以使系统中凸凹透镜光焦度同时减小,即便是早部分设计下光焦度不变,但透镜表面曲率半径也可以增大,这些特性对于减少高级像差都是有利的。

从历史角度来看,以经典的凸凹凸结构三片式镜头为例,两片凸透镜在使用1.5折射率K类冕牌玻璃时相对孔径只能到F5,换用1.6折射率ZK重冕玻璃后可以提高到F4,而使用折射率1.7的LaK镧冕玻璃后会提高到F2.5……虽然高折射率也会带来高色散的问题,对校正提出了更高要求,但新品种光学玻璃的出现是促进照相机镜头发展的重要因素,对提高光学特性和成像质量意义重大。


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问题二:为什么广角端只做到了28mm

很多人都在好奇,为什么不是RF 24-70mm F2?单纯看24mm定焦,做到F1.4也并不会让体积变得一发不可收拾,只看85mm F1.8体型甚至可以相当小巧,原因在于定焦系统往往都有定式可寻,比如24mm可以在Biogon或Distagon的基础上设计,85mm可以在Sonnar的设计上改良,而一旦涉及到变焦,就意味着这一套镜组要通过镜片位移来实现焦距的变化,同时兼顾恒定光圈,更重要的是还得保证整个焦段的像差校正,这无疑会对综合设计带来相当大的挑战。

前面提到了RF 28-70mm F2一定程度上借鉴了EF 24-70mm F2.8的设计体系,事实上这种借鉴现有专利资料一直都是主流设计思路,变焦镜头的设计一般分为2个阶段,第一阶段是根据焦段、画幅、光圈、变焦/对焦组移动范围等规格来计算外形尺寸,当28mm都做到前镜组95mm才能做到恒定F2时,如果要做到24mm,则意味着更大尺寸的凹透镜前组才能实现更大的广角,同时还得继续增加其他镜组尺寸,这对材料是一个比较大的挑战,像差校正难度又会继续升高,如果真做到24-70mm F2,体型和价格都会更上一层楼。


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而变焦镜头的第二个设计阶段是像差计算,根据外形尺寸计算得到的每个透镜组的光焦度和孔径,选定透镜组的结构型,然后按等比级数取出数个焦距位置,改变前固定镜组(内变焦设计)和变焦镜组结构参数,来使这些不同焦距位置的前镜组像差尽量保持在一个小范围内,然后取每一种像差的平均值,以此为依据调整后固定镜组规格进行校正,达到各个焦段像差校正效果近似相同的目的。因此借用现有成熟结构来缩放改型,不失为一种稳妥的设计思路,也能减轻RF 28-70mm F2在增大孔径后的像差设计压力,但即便如此,大尺寸镜片的使用让它的综合像差表现只能说是喜忧参半,接下来就通过实拍来进行分析。

问题三:它的性能究竟如何?

其实这是一个很有意思的问题,28-70mm F2究竟能带来什么?是虚化么?确实,F2比F2.8要强一点:以70mm F2拍摄40cm左右的小品时 ,总景深只有0.32cm,而F2.8则会增加到0.46cm,一眼看去差别就比较明显:


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上图为F2,下图为F2.8:


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从背景物体不难看出F2的虚化程度更胜一筹,但同时也能看到F2全开时会有很明显的暗角。而且这种虚化程度比起动辄F1.8、F1.4甚至F1.2的定焦镜头来说依然是明显落后的,与此同时 28-70mm F2的光斑测试表现也并不算特别好:


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一、有因非球面镜片而导致的洋葱圈,而且还很明显,光斑效果欠佳;二,边缘存在绿色色环,说明有一定的轴向色差,这一点可以通过实拍图一眼便知:


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虽然料堆得很猛,但二级光谱并没有很好的校正,并且尽管有95mm的超大口径,但靠近边缘位置的光斑依然存在很明显的口径蚀(实拍表现之一就是前面的F2样张暗角):


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这也就导致同样的场景、同样靠近边缘的位置,F2与F4光圈的实拍虚化就有如此明显的差别:


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所以严格来说,RF 28-70mm F2虽然虚化等级提升了,但虚化表现并不算特别出色,即便是单论景深,如果不刻意对比拍摄的话,几乎不可能看出F2和F2.8的区别。理论上的唯一优势是大一档光圈可以降低一档感光度,从而提高弱光表现。但至少我手里的这颗是存在一定程度像散,靠近边缘区域的焦内点光源已经呈现出十字型形态:


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像散的影响在实际拍摄中也是很明显的,下图的对焦点在100米左右,理论上28mm F2从11.6米到无限远都处于景深范围内,但明显在11.6米之外的边缘区域出现了很明显的成像不实,可以看到灯箱文字出现了重影,换言之这并不是一颗特别适合拍摄星空的镜头:


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接着再说分辨率,因为照相机物镜的分辨率上限在系统孔径确定后就确定了,实际能达到多少主要取决于像差校正,同时也受制于与其搭配的相机传感器性能,在F2全开的情况下,RF 28-70mm F2的分辨率表现只能说是中规中矩,收缩光圈会有非常明显的改善,以70mm F2为例,完整图像如下:


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取对焦位置(手动对焦)截图100%放大:


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F2时受像差影响,印刷纹理细节反差呈现较小,收缩到F2.8之后明显好转,F4又会继续稍稍提升一点。可以说RF 28-70mm F2的最大光圈表现并不算特别好,相对于RF 50mm F1.2来说稍稍差了一点惊艳感,并且这颗镜头虽然把佳能的ASC/SWC两大镀膜技术都用上了,但19片镜片在面对强光源时依然会出现非常明显的眩光鬼影:


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变焦无处不在的妥协所形成的不足,即便是豪华用料也很难弥补回来,所以从成像素质的角度来看,RF 28-70mm F2相对容易让人失望(当然,主要是很多人一开始的期待太高,也可以说是对它的要求太高,但谁让你价格如此夸张呢?)。

那么,28-70mm F2的优点究竟是什么?理论上变焦的主要目的是提供便利,有F2自然是锦上添花,为了实现F2也确实花费了不少工夫,但在体型上失去了便利性的同时,性能也很难说达到了很高的高度,可见变焦镜头突破常规所要付出的代价有多高。综合来看RF 28-70mm F2更大程度的意义是占一个名义上的山头,毕竟这是原厂唯一的全画幅变焦恒定F2,比第三方早就实现的手动对焦F0.95标头要震撼得多,不遗余力的打造这样一颗镜头更重要的目的是秀一秀肌肉,真正打头阵的还得是接下来的F2.8大三元(RF 24-70mm F2.8在性能上有一定几率会超越RF 28-70mm F2)和85mm F1.2 DS,当然,如果你跟我一样有收集强迫症,再假设对性能和体型没有那么挑剔,独一无二的RF 28-70mm F2依然是RF系统中最值得入手的一颗,没有之一。

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